固态电池的5种构型、现有研发水平及待攻关的关键技术

大家好，小科来为大家解答以上问题。固态电池的5种构型、现有研发水平及待攻关的关键技术这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

1、(文/程)近年来，随着电动汽车普及率的快速提高，固态电池受到了国内外企业和科研人员的广泛关注和重视，发展迅速。目前固态电池的市场参与者很多，包括车企、电池公司、投资机构、科研机构等。

2、所谓固态电池，就是使用固体电极和固体电解质的电池。因为用固体电解质代替电解质和隔膜，首先固体电池的热稳定性更高，不会出现内部短路。其次，固体电解质具有更高的本质安全性；理论上，固态电池接口更稳定，使用寿命更长。此外，固态电池的能量密度可以进一步提高。

3、固态电池面临的困难

4、从目前的推进速度来看，我们离全固态电池还有一段距离，预计要到2030年以后才能商用。因为还有几大难点没有解决：

5、第一，从材料上看，固体电解质无法兼顾高离子电导率和稳定性；

6、第二，从界面上看，刚性的固-固接触不能保证离子在原子水平上的高效输运；

7、在三枝晶生长方面，锂枝晶生长容易穿透固体电解质；

8、第四，在电池制造方面，现有固体电解质成本较高。

9、也就是说，从材料、界面、枝晶生长和电池制造的角度来看，目前的全固态电池还不能满足目前的需求。安全性高、比能量高的全固态电池离我们还很远。然而，在现有商用液体电池无法满足我们日益增长的电池能量密度需求的情况下，半固体电池应运而生。

10、半固体电池更适合现在的电池发展道路，因为半固体电池的安全性比液体电池高；与现有电池生产线的兼容性更高，易于产业化；还能解决接口问题。

11、最近，朱高龙博士，R & amp欧阳明院士工作站四川新能源汽车创新中心有限公司固态电池d主任，就固态电池关键技术问题做了在线分享。他将固态电池分为五种配置，并详细解释了现有的R & amp这五种配置需要攻克的d级和关键技术。

12、固态电池配置1和需要攻克的关键技术

13、无论是液体电池、半固体电池还是固体电池，结构都是一样的。一般两边是正负电极(如图1)，中间是电解质，用来输送负离子，实现能量的储存和转换。电芯分为圆柱形、软袋形和方形外壳。电池被串联和并联组合以形成模块或电池组，以满足汽车或其他应用的需要。

14、图1:单体电池结构示意图

15、固态电池配置1实际上相当于在液态电池的配置上引入了一层固体电解质涂层。涂层可以在隔板上或者在阳极和阴极上。

16、图2:固态电池配置1的结构

17、朱高龙博士指出，这看起来和液体电池没什么区别，但实际上有很多诀窍，主要体现在选材、区间设计、材料配方等方面。

18、图3:固态电池配置1的特征

19、然而，优点是配置1中使用的设备与现有设备高度兼容。另外，在技术成熟度上，很多厂商已经有了很长时间的积累，很多关键点已经解决。例如，涂层厚度现在可以非常均匀地分布，从几十纳米到几纳米甚至几百微米。此外，涂层的配方，包括电解质的粒度、结构、比例、粘合剂和添加剂组分都可以很好地控制。

20、配置1的特点是可以保证电气性能，提高电池安全性，但问题是安全性提升不够。朱高龙感叹，如果这项技术能将镍90的安全性提高到镍50的安全指标，电池的能量密度将b

21、固态电池第一次配置时，我们在隔膜上涂了一层陶瓷涂层，安全性大大提高。但液态电池中仍有大量有机电解液，有机电解液会与阳极释放的氧气发生反应，产生大量热量，导致电池安全失效。

22、因此，在两种固态电池配置中，引入了原位固化技术，即引入胶体/固体电解质固化电解液，防止电解液流动，防止物种在释氧过程中持续反应，从而进一步提高安全性能。

23、图4:固态电池配置2遇到的技术要点

24、但技术还没有完全成熟，主要难点是固化后，整个电池的安全性或合格率会有很大提高，但热箱测试可能达不到要求，电池的性能尤其是倍率性能会迅速衰减。

25、因此，在固化配方中，如单体选择，固化后，无论是胶体还是完全固体；需要特别注意离子导电性、作为基底的隔膜的选择以及隔膜中离子传输的性能。此外，还要注意固体电解质的引发剂。比如有些引发剂虽然可以很好的固化单体，但是固化后引发剂本身并不稳定，导致半固体电池的安全性不如液体电池。

26、朱高龙强调，这里的想象很美好，但其中材料的选择很关键。

27、配置目前最大的特点就是针刺通过率大大提高。因此，原位固化技术受到了企业的广泛关注。比如蔚来在原位固化的设备、方法、配方等方面都有很多成果。

28、泰特

图5：半固态电池现有研发水平及待攻关的关键技术

31、在构型3的关键点在于电解液量的控制和封胶技术，这样的技术类似于在结构上的创新。比如比亚迪的刀片电池，宁德时代的CTP/CTC电池等。它的特点是针刺通过率及热箱性能大幅提升，遇到的问题是固态电解质密度大，能量密度有损失，能量密度于安全性能的平衡。固态电池构型4面临的技术难点固态电池构型4，主要就是把液态电池中的隔膜与电解液替换成了固态电解质。经过多年的试验，大家发现液态电池种的隔膜和电解液是影响电池的安全性能的主要因素。因此，提升电池安全性能最为有效的办法就是减少电解液的用量，从而很容易想到新型导锂离子聚合物电解质、无机的陶瓷电解质，或者是聚合物电解质膜与无机固态电解质混合的电解质。要求就是需要这种电解质稳定，一致性高，与正负极有很好的兼容性。同样在这里面，隔膜和隔膜内的电解液，换成聚合物电解质或无机固态电解质。在正极同样可以用到原位固化的技术，或者直接加入胶态或固态电解质，也同样可以使用封胶的技术，这相当于在原来固态电池中做一个整体升级。

33、在2015年时，法国的电池制造商Bollore生产出来了聚合物电解质固态电池。从以前的开发经验来看，Bollore公司其实用的是聚合物电解质，聚合物电解质在60℃时，会软化，类似于果冻或者胶态的性质。这种情况下与正负极的界面接触得很好，本身在60℃下，本身有比较高的离子导率，这样就会形成一个类似于液态电池的一个状况。就是有良好的接触，特别是电极与活性材料，电极与电解质之间有一个很好的接触。这样保证了离子定向输运的快速，高效地运行，从而实现在整车上的应用。

35、构型4最主要的缺陷有两点，一是聚合物电解质需要在高温下运行，难以匹配高电压的正极材料，比如说三元，高镍的一些正极材料；二是聚合物电解质软化之后，具备了一定的流动性，是否还安全也存在一些疑问；三是在高温下运行，会浪费一部分的能量；四是离子导率提升不了；五是在常温下是固态的，会存在固态电解质与正负极固固接触比较困难，特别是聚合物还有一定的弹性，会导致离子穿过负极，到达电解质膜时，阻抗会变得很大。也就是说除了高离子导率问题，还有固固接触的问题。这就是为什么固态电池的发展路线会从半固态逐渐过渡到全固态。有两个方面的原因，一是聚合物的半固态，离子导率非常难以提升，后续如果要做成全固态，还是会面临固固接触的问题。二是聚合物的物质，它的热稳定性，还是没有全固态热稳定性高。全固态电池构型5第5种类型，就是固态电池的终极目标------全固态电池，就是里面完全排除了电解液的使用。正极和负极内也是固态电解质来进行离子输运，这会使得安全性大幅提升，同时，负极可以使用金属锂，整体提高电池的能量密度。

37、新闻报道里常说的固态电池具有高能量密度，其实不是因为固态电池本身的能量密度高，而是因为固态电池可以匹配这种高比能的新型正负极材料。才能够把固态电池的能量密度做进一步的提升。如果常规下，跟液态电池一样使用同样的石墨负极，正极有磷酸铁锂，或者三元材料的话，其他成分都不变，只是把电解液和隔膜换成固态，其实能量密度是降低的。

39、相对于和欧美来说，国内在固态电池方面的投入起步相对比较晚，整体研发水平跟比还有一定的差异，这里的差异主要体现在固态电解质的合成。为什么目前固态电池还没有大量产业化呢？其实，最主要的原因是电解质的合成成本高，推广起来困难；第二个更关键的因素就是固固接触的界面问题。因为一旦到了全固态，全是固固接触的话，如何保证良好的界面，以及充放电过程中，还是共型的接触，保证离子的输运等。比如相对脚软的硫化物电解质就需要一个比较大的压力，大概要200~500MPa才能保证在初步第一次压完之后，正极和固态电解质，以及负极和固态电解质有一个良好的接触，接触好，离子的定向输运才能保证电池能量输送出来，或者存储进去。也就是说一定要保证固态电解质与电极的良好接触。要保证良好的接触，就需要这样大的压力。这个压力在目前来讲，特别是电池后续的制备制造过程中，200~500MPa的压力就变得比较困难。就算能达到，又怎么能保证效率。这是全固态电池发展的一个关键因素。能保证3到400平方厘米的面积下，能够快速压片的技术也是后续电池组装中非常关键的一个技术。同时，非常明显的一点就是全固态电池，完全颠覆了前面几种电池构型的产线，它的加工方法和加工形式可能就发生了改变。也就是说，全固态电池的关键点就是高离子导率、稳定的固态电解质的开发，以及电池装配工艺。遇到的问题是成本高，工艺要求高，规模化困难。

本文到此结束，希望对大家有所帮助。